Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Легирующие элементы и примеси в сталях: краткий справочник

Характеристики углеродистых сталей далеко не всегда соответствуют требованиям, которые предъявляют к материалам различные отрасли промышленности. Чтобы откорректировать их свойства, используют легирование.

Чем отличаются легирующие элементы от примесей

В углеродистых сталях, помимо основных элементов – железа и углерода, есть и другие: марганец, сера, фосфор, кремний, водород и прочие. Их считают примесями и делят на несколько групп:

  • К постоянным относят серу, фосфор, марганец и кремний. Они всегда содержатся в стали в небольших количествах, попадая в нее из чугуна или используясь в качестве раскислителей.
  • К скрытым относят водород, кислород и азот. Они тоже присутствуют в любой стали, попадая в нее при выплавке.
  • К случайным относят медь, мышьяк, свинец, цинк, олово и прочие элементы. Они попадают в сталь из шихтовых материалов и считаются особенностью руды.

Для каждой из перечисленных примесей характерно определенное процентное содержание. Так, марганца в стали, как правило, не более 0,8 %, кремния – не более 0,4 %, фосфора – не более 0,025 %, серы – не более 0,05 %. Если обычного содержания некоторых элементов недостаточно, для получения сталей с нужными свойствами в них дополнительно вносят в определенных количествах специальные примеси, которые называют легирующими добавками.

Выплавка стали

Химический состав стали, формируемый в процессе выплавки, напрямую влияет на ее механические свойства

Как примеси влияют на свойства сталей

Примеси оказывают разное влияние на характеристики сталей:

  • Углерод (С) повышает твердость, прочность и упругость сталей, но снижает их пластичность.
  • Кремний (Si) при содержании в стали до 0,4 % и марганец при содержании до 0,8 % не оказывают заметного влияния на свойства.
  • Фосфор (P) увеличивает прочность и коррозионную стойкость сталей, но снижает их пластичность и вязкость.
  • Сера (S) повышает хрупкость сталей при высоких температурах, снижает их прочность, пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость.
  • Азот (N2) и кислород (O2) уменьшают вязкость и пластичность сталей.
  • Водород (H2) повышает хрупкость сталей.

Как легирующие элементы влияют на свойства сталей

Легирующие добавки вводят в стали для изменения их характеристик:

  • Хром (Cr) повышает твердость, прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, электросопротивление сталей, одновременно уменьшая их коэффициент линейного расширения и пластичность.
  • Никель (Ni) увеличивает пластичность, вязкость, коррозионную стойкость и ударную прочность сталей.
  • Вольфрам (W) повышает твердость и прокаливаемость сталей.
  • Молибден (Mo) увеличивает упругость, коррозионную стойкость, сопротивляемость сталей растягивающим нагрузкам и улучшает их прокаливаемость.
  • Ванадий (V) повышает прочность, твердость и плотность сталей.
  • Кремний (Si) увеличивает прочность, упругость, электросопротивление, жаростойкость и твердость сталей.
  • Марганец (Mn) повышает твердость, износоустойчивость, ударную прочность и прокаливаемость сталей.
  • Кобальт (Co) увеличивает ударную прочность, жаропрочность и улучшает магнитные свойства сталей.
  • Алюминий (Al) повышает жаростойкость и стойкость сталей к образованию окалины.
  • Титан (Ti) увеличивает прочность, коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость сталей.
  • Ниобий (Nb) повышает коррозионную стойкость и устойчивость сталей к воздействию кислот.
  • Медь (Cu) увеличивает коррозионную стойкость и пластичность сталей.
  • Церий (Ce) повышает пластичность и прочность сталей.
  • Неодим (Nd), цезий (Cs) и лантан (La) снижают пористость сталей и улучшают качество поверхности.

Виды легированных сталей

В зависимости от содержания легирующих элементов, стали делят на три вида:

  1. Если легирующих элементов менее 2,5 %, стали относят к низколегированным.
  2. При их содержании от 2,5 до 10 % стали считаются среднелегированными.
  3. Если легирующих элементов более 10 %, стали относят к высоколегированным.

Заключение

Примеси неизбежно присутствуют в сталях, но ряд из них являются вредными (к ним относятся скрытые примеси), поэтому их содержание стараются минимизировать. Легирующие элементы добавляют в стали целенаправленно для улучшения их свойств или получения специфических характеристик.

Информация о легирующих элементах стали

Каждый отдельный элемент придает стали в зависимости от его доли определенные специфические свойства. В случае присутствия нескольких элементов эффект может быть увеличен. Но существуют варианты сплавов, в которых отдельные элементы в отношении определенного поведения оказывают свое влияние не в одном направлении, а могут противодействовать друг другу. Наличие легирующих элементов в стали создает только предпосылку для желаемых свойств; их можно достичь лишь с помощью переработки и тепловой обработки. Ниже перечислены главные виды влияния, которые оказывают на сталь легирующие и сопутствующие элементы.

Алюминий (Al) Температура плавления 658° C

Это наиболее сильное, очень часто применяемое дезоксидационное и, кроме этого, денитрирующее средство; благодаря этому оно очень благоприятно воздействует на нечувствительность к старению. В небольших добавках он поддерживает образование мелких зерен. Поскольку Al образовывает с азотом нитриды высокой твердости, он является преимущественно легирующим элементом в азотированной стали. Он повышает стойкость к окалинам и поэтому часто добавляется в ферритную жаростойкую сталь. В нелегированной углеродной стали можно с помощью „алитирования“ (добавления Al в поверхность) повысить стойкость к окалинам. Al сильно суживает — зону. Из-за сильного повышения коэрцитивной силы алюминий является легирующим элементом в магнитотвердых сплавах железа, никеля, кобальта, алюминия.

Свинец (Pb) Температура плавления 327.4° C

Добавляется в автоматную сталь в содержании прибл. 0.2-0.5%, поскольку благодаря его чрезвычайно тонкому суспензионному распределению достигается образование краткой стружки и чистой поверхности разреза. Указанные содержания свинца практически не влияют на механические свойства стали.

Бор (B) Температура плавления 2300° C

Поскольку бор имеет большое эффективное поперечное сечение для абсорбции нейтронов, им легируют сталь для регуляторов и экранов в установках по атомной энергии. Аустенитная 18/8 CrNi-сталь может с помощью бора благодаря дисперсионному твердению получить более высокий предел текучести при растяжении и прочность, при чем уменьшается антикоррозионная стойкость. Вызванные бором выделения улучшают прочность высокожаропрочных типов аустенитной стали в зоне повышенных температур. В строительной стали этот элемент улучшает глубокую цементацию и вызывает, таким образом, повышения прочности зерна цементируемой стали. Следует рассчитывать на сокращение сварочных работ в легированной бором стали.

Читайте так же:
Обозначение класса чистоты поверхности на чертежах

Хром (Cr) Температура плавления 1857° C

Cr делает сталь способной к закалке в масле и воздухе. Вследствие понижения необходимой для образования мартензитов критической скорости охлаждения он повышает закаливаемость и улучшает, таким образом, способность к повышению качества. Однако ударная вязкость уменьшается, но сокращает растяжение лишь немного. Свариваемость сокращается в чистой хромовой стали при увеличении содержания хрома. Прочность стали на растяжение повышается на 80-100 н/мм на каждый 1% Cr. Cr является образователем карбида. Его карбиды повышают стойкость к режущим инструментам и износостойкость. Термическая стойкость и стойкость к напорному водороду увеличиваются благодаря хрому. В то время, как увеличение содержания хрома повышает стойкость к окалинам, для антикоррозионной стойкости стали необходимо минимальное содержание хрома прибл. 13%, который должен быть растворен в матрице. Элемент отсекает зону и расширяет, таким образом, ферритную зону; стабилизирует аустенит в аустенитной стали Cr-Mn- или Cr-Ni. Теплопроводимость и электрическая проводимость уменьшаются. Тепловое расширение понижается (сплавы для впаивания в стекло). При одновременно более высоком содержании углерода содержание хрома до 3% повышает остаточный магнетизм и коэрцитивную силу.

Углерод (C) Температура плавления 3540° C

Углерод является наиболее важным и влиятельным легирующим елементом в стали. Наряду с углеродом каждая нелегированная сталь содержит кремний, марганец, фосфор и серу, которые добавляются при изготовлении непреднамеренно. Добавление дальнейших легирующих элементов для достижения особых эффектов, а также сознательное повышение содержания марганца и кремния вызывает образование легированной стали. При увеличении содержания углерода повышаются прочность и твердость стали, напротив его расширение, ковкость и обрабатываемость уменьшаются (режущими инструментами). Углерод практически не влияет на антикоррозионную стойкость к воде, кислотам и горячим газам.

Медь (Cu) Температура плавления 1084° C

Медь добавляется только к небольшому количеству сортов стали, поскольку она обогащается под слоем окалины и вследствие проникновения в пределы ядра вызывает большую нечувствительность поверхности при процессах тепловой деформации, поэтому она рассматривается частично как вредитель для стали. Предел текучести при растяжении и соотношение предела текучести при растяжении и прочности повышаются. Содержание выше 0.30% может вызвать дисперсионное твердение. Закаливаемость улучшается. Медь не влияет на сварочные работы. В нелегированной и слаболегированной стали благодаря меди достигается значительное улучшение стойкости к атмосферным явлениям.

Марганец (Mn) Температура плавления 1221° C

Марганец дезоксидирует. Он связывает серу как сульфиды марганца и сокращает, таким образом, неблагоприятное влияние сульфида железа. Это имеет особое значение при автоматной стали: опасность красноломкости уменьшается. Марганец очень сильно сокращает скорость охлаждения и, таким образом, повышает закаливаемость. Предел текучести при растяжении, а также прочность благодаря марганцу повышаются, кроме этого, марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость и сильно увеличивает глубину прокаливемости. Содержание выше 4% вызывают также при медленном охлаждении образование хрупкой мартензитной структуры, так что легирующая зона почти не используется. Сталь с содержанием марганца выше 12% являются при одновременном высоком содержании углерода аустенитной, потому что марганец значительно расширяет зону. Такие виды стали получают при ударной нагрузке поверхности очень высокое холодное упрочнение, в то время, как ядро остается вязким; поэтому они при ударном воздействии имеют высокую износостойкость. Сталь с содержанием марганца выше 18% остаются немагнетизируемыми также после сравнительно сильной холодной обработки давлением и применяется как специальная сталь и как вязкая в холодном состоянии сталь при температурной нагрузке. Под влиянием марганца повышается коэффициент теплового расширения, в то время, как тепловая проводимость и электрическая проводимость понижаются.

Молибден (Mo) Температура плавления 2622° C

Молибден легируют преимущественно вместе с другими элементами. Вследствие сокращения критической скорости охлаждения улучшается закаливаемость. Молибден существенно уменьшает хрупкость отпуска, например, в хромо-никелевой и марганцевой стали, способствует образованию мелкого зерна и благоприятно влияет также на свариваемость. Повышение предела текучести при растяжении и прочности. При высоком содержании молибдена затрудняется ковкость. Сильный образователь карбида; благодаря этому улучшаются режущие свойства быстрорежущей стали. Он принадлежит к тем элементам, которые повышают антикоррозионную стойкость и поэтому часто используется в высоколегированной хромовой стали и аустенитной хромо-никелевой стали; высокое содержание молибдена уменьшает склонность к сквозной коррозии. Очень сильное сужение зоны; повышение теплостойкости, стойкость к окалинам сокращается.

Никель (Ni) Температура плавления 1453° C

Вызывает в строительной стали значительное повышение ударной вязкости образца с надрезом и поэтому легируется для повышения вязкости в цементируемой, улучшенной и вязкой в холодном состоянии стали. Все точки преобразований (A1-A4), понижаются под влиянием никеля; он является образователем карбида. Благодаря сильному расширению зоны никель в химически стойкой стали с содержанием больше 7% придает аустенитную структуру до уровня ниже комнатной температуры. Сам никель с высоким процентным содержанием делает сталь только инертной к коррозии, в аустенитной хромо-никелевой стали создает стойкость к влиянию восстанавливающихся химикатов; стойкость этих видов стали достигается благодаря хрому. Аустенитная сталь имеет при температурах выше 600° C более высокую теплостойкость, поскольку температура её рекристаллизации высокая; она практически не намагничивающаяся. Тепловая проводимость и электрическая проводимость сильно уменьшаются. Высокое содержание никеля в точно ограниченных легирующих зонах создают физическую сталь с определенными физическими свойствами, например, температурное расширение (тип инвар).

Фосфор (P) Температура плавления 44° C

Рассматривается преимущественно как вредитель стали, поскольку фосфор вызывает сильную первичную сегрегацию при затвердении плавки и возможность вторичной сегрегации в твердом состоянии вследствие сильного отсекания зоны. Вследствие сравнительно небольшой скорости диффузии, как и в альфа-, так и в гамма–твёрдом растворе (смешанном кристалле) указанные сегрегации могут с трудом уравновешиваться. Поскольку вряд ли возможно достичь гомогенного распределения фосфора, стремятся удерживать содержание фосфора на очень низком уровне и соответственно в высококачественной стали достигать верхний предел 0.03-0.05%. Размер сегрегации нельзя определить с точностью. Фосфор повышает уже в минимальном содержании чувствительность к хрупкости отпуска. Фосфорная хрупкость увеличивается при увеличении содержания углерода, при увеличении температуры твердения. Размера зерна и при уменьшении степени уковки. Хрупкость появляется как хладноломкость и чувствительность к ударной нагрузке (склонность к хрупкому разрушению). В слаболегированной строительной стали с содержанием углерода прибл. 0.1% фосфор повышает прочность и антикоррозионную стойкость к атмосферным явлениям; медь поддерживает улучшение антикоррозионной стойкости (инертная к коррозии сталь). Добавки фосфора в аустенитную хромо-никелевую сталь вызвать повышение предела текучести при растяжении и эффекты выделения.

Читайте так же:
Редуктор углекислотный для полуавтомата с подогревом

Сера (5) Температура плавления 118 С

Из всех примесей в стали даёт самую сильную ликвацию. Сульфид железа приводит к красноломкости, или «горячеломкости». поскольку низкоплавкая сульфидная эвтектика в виде сетки охватывает кристаллиты, так что имеет место низкое сцепление последних, и при горячей деформации преимущественно разрушаются границы зерен; эффект усиливается под действие кислорода. Сера имеет особенно высокое сродство к марганцу, ее связывают в виде сульфида марганца, поскольку из всех присутствующих обычно включений он является наименее опасным, распределен в стали точечно и имеет высокую температуру плавления. Сера в среднем существенно снижает вязкость. Серу намеренно добавляют в сталь автоматной обработки в количестве до 0.4%, поскольку благодаря смазывающему действию на режущую кромку уменьшение трения между заготовкой и инструментом позволяет достичь повышения его стойкости. Кроме того, у
автоматных сталей при обработке резанием образуется короткая стружка. Сера усиливает склонность к образованию сварочных трещин.

Кремний (5i) Температура плавления 1414 С

Кремний, аналогично марганцу, содержится в любой стали, так как уже железные руды в зависимости от состава вносят его соответствующее количество. Также и собственно при производстве стали кремний из огнеупорной футеровки печи переходит в расплав. Однако кремнистыми называют только такие стали, которые содержат более 0.40% кремния. Кремний не является металлом, но так называемым металлоидом, как, например, фосфор и сера. Кремний раскисляет. Он благоприятствует выпадению графита и сильно сужает гамма-область, повышает
прочность и износостойкость (кремниймарганцовые улучшаемые стали); сильное повышение предела упругости, поэтому целесообразен в качестве легирующей добавки в пружинные стали. Кремний значительно повышает окалиностойкость, так что им легируют жаростойкие стали. Однако вследствие отрицательного влияния на деформацию в горячем и холодном состоянии допустимые содержания ограничиваются. При 12% кремния достигается дополнительная кислотостойкость, однако такие марки могут быть изготовлены только в виде очень твердых и хрупких
отливок, которые могут быть обработаны только шлифованием. Вследствие сильного снижения электропроводности, коэрцитивной силы и активных потерь кремний используется в электротехнических листовых сталях.

Азот (N) Температура плавления –210° C

Этот элемент может проявляться как вредитель для стали, и как легирующий элемент. Вредитель из-за уменьшения вязкости вследствие процессов выделения, увеличения чувствительности к старению и синеломкости (деформация в диапазонах голубой теплоты 300-350° C), а также из-за возможности появления межкристаллитного коррозионного растрескивания в нелегированой и низколегированной стали. В качестве легирующего элемента азот расширяет зону и стабилизирует аустенитную структуру; повышает в аустенитной стали прочность и прежде всего предел текучести при растяжении, а также механические свойства в теплоте. Азот позволяет получить высокую твердость поверхности благодаря образованию нитридов при нитрировании (нитрирование).

Титан (Ti) Температура плавления 1680° C

Благодаря своему высокому химическому сродству с кислородом, серой и углеродом имеет сильное дезоксидирующее действие, сильное денитрирующее действие, серообразующее и сильное карбидобразующее действие. Широко используется в стойкой к коррозии стали в качестве образователя карбида для стабилизации по отношению к межкристаллитной коррозии; имеет, кроме этого, зерноизмельчающие свойства. Tитан очень сильно сужает y-зону. Он в более высоких долях вызывает процессы выделения и благодаря достижению высокой коэрцитивной силы добавляется в магнитотвердые сплавы. Титан повышает длительную прочность благодаря образованию специальных нитридов. Однако титан имеет сильную склонность к сегрегации и образованию строк.

Ванадий (V) Температура плавления 1910° C

Измельчает первичное зерно и, таким образом, структуру литья; сильный образователь карбида, вследствие чего появляется увеличение износостойкости, режущей способности и теплостойкости; поэтому предпочитается использование в качестве дополнительного легирующего элемента в быстрорежущей, теплообрабатываемой и теплостойкой стали. Значительное улучшение твердости после отпуска, уменьшение чувствительности к перегреву. Поскольку ванадий измельчает зерно и вследствие образования карбида тормозит воздушную закалку, он повышает ковкость улучшенной стали. Благодаря образованию карбида повышение стойкости к напорному водороду. Ванадий сужает – зону и перемещает коэффициент Кюри к более высоким температурам.

Глава 6.4. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей

Легирующие элементы специально вводят в сталь с целью изменения ее структуры и свойств в отличие от примесей, попадающих в сталь при выплавке из руд, шихты. Стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными.

В зависимости от содержания легирующих элементов (указанного в скобках) различают низколегированные (до 2. 3 %), среднелегированные (3. 10%) и высоколегированные стали (более 10%).

Изменение структуры и свойств сталей возможно лишь в том случае, если элементы, вводимые в сталь, взаимодействуют с железом и (или) углеродом, тогда эти элементы и являются легирующими.

Основными легирующими элементами сталей являются металлы, которые с железом образуют твердые растворы замещения. Железо является полиморфным металлом и имеет две модификации: a-железо (ОЦК решетка) и γ-железо (ГЦК решетка). В a-железе хорошо растворяются элементы, имеющие ОЦК решетку. Соответственно в γ-железе — элементы с ГЦК решеткой.

К первой группе относятся хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний. Сплавы железа с ними описываются диаграммой состояния с расширенной областью сплавов с ОЦК решеткой — a-твердых растворов. При этом область γ-твердых растворов резко уменьшается (рис. 6.1, а). Сплавы, не претерпевающие (α о γ)-превращения, т.е. лежащие правее точки а на оси концентраций, называются ферритными. Эти легирующие элементы повышают температуру А3 (точка G на диаграмме состояния системы Fe — Fe3C) и понижают А4 — температуру существования высокотемпературной модификации Feα (точка N в соответствии с диаграммой состояния системы Fe — Fc3C: см. подразд. 4.1).

Ко второй группе относятся марганец, никель и кобальт. Эти элементы образуют с железом сплавы, имеющие диаграмму состояния с расширенной областью сплавов с ГЦК решеткой — γ-твердых растворов — и уменьшенной областью существования a-твердых растворов (рис. 6.1, б). Сплавы, не претерпевающие (γ↔α) – превращения, т.е. лежащие правее точки α на оси концентраций, называются аустенитными. Эти легирующие элементы оказывают противоположное влияние на температуры А3 (понижают) и А4 (повышают).

Читайте так же:
Розетка для подключения духового шкафа

По взаимодействию с углеродом легирующие элементы делятся на карбидообразующие элементы, которые образуют собственные карбиды; графитообразующие (графитизаторы) — способствующие распаду карбидов с выделением свободного углерода; нейтральные.

Карбидообразующими являются марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий и титан. В Периодической системе они располагаются слева от железа, и чем левее, тем больше (сильнее) выражена их карбидообразующая способность. Таким образом, самым сильным карбидообразующим является титан, а наиболее слабым (исключая железо) — марганец. Железо является еще более слабым карбидообразующим компонентом, чем марганец.

Рис. 6.1. Влияние легирующих элементов на вид диаграммы состояния сплава железо — легирующий элемент и температуру полиморфных превращений железа: а — легирующие элементы с ОЦК решеткой; б — легирующие элементы с ГЦК решеткой

При легировании сталей марганец (независимо от его количества), хром (до 2 %), а также вольфрам и молибден в малых количествах (десятые доли процента) растворяются в цементите, частично замещая атомы железа в его кристаллической решетке. Образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного. Его формула в общем виде записывается как М3С, где М — атомы металлов. Таким образом, цементит может иметь состав (Fe, Сг)3С или (Fe, Мn)3С и т.д.

При повышенных концентрациях легирующие элементы в стали образуют собственные карбиды. Так, при содержании 2. 10% хрома в сталях образуется карбид Сг7С3, а при увеличении свыше 10 % — Сг23С6. Причем эти карбиды могут растворять в себе железо (значительное количество) и другие легирующие элементы. Тогда они обозначаются как М7С3 и М23С6. Вольфрам и молибден образуют сложные карбиды Fe3W3C и Fe3Mo3C (М6С). Все эти карбиды сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве.

Сильные карбидообразующие элементы образуют карбиды типа МС (TiC, VC, WC, МоС). Вольфрам и молибден могут образовывать также карбиды типа М2С (W2C и Мо2С). Все эти карбиды практически не растворяются в аустените.

Энергия связи атомов углерода и сильных карбидообразующих элементов значительно выше, чем атомов углерода и железа. Это определяет большую твердость этих карбидов: твердость цементита — 800. 1000 HV, карбида титана (TiC) — 3200 HV. Кроме того, повышается устойчивость карбидов сильных карбидообразующих элементов при нагреве, они растворяются в аустените при более высоких температурах. Так, цементит начинает растворяться в аустените при 727 °С, карбиды хрома при 850. 900 °С, а карбиды ванадия (VC) и титана (TiC) практически не растворяются в аустените, так как температуры их растворения (около 1300 °С) выше температуры плавления сталей.

Графитизаторами являются никель и кремний. Так, кремний сильно ускоряет реакцию графитизации, т.е. происходит распад цементита с образованием свободного углерода. В качестве графитизатора его широко используют при выплавке чугунов (см. гл. 7).

К нейтральным элементам относится кобальт, который широко применяется в твердых сплавах в качестве металла-связки (см. подразд. 9.2.2).

В отожженном состоянии легированные стали имеют прочность и твердость большие, чем у углеродистых, но их ударная вязкость ниже (рис. 6.2). Это вызвано тем, что легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его, особенно марганец и кремний.

Рис. 6.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а — изменение твердости; б — изменение ударной вязкости

Существенное влияние легирующие элементы оказывают на положение линий диаграммы состояния системы Fe — Fe3C. При нагреве они растворяются в аустените, искажают его кристаллическую решетку, уменьшая тем самым растворимость в нем углерода. В результате линия SE сдвигается влево, т.е. в сторону меньшего содержания углерода (рис. 6.3). Это приводит к тому, что структура перлита — эвтектоида и ледебурита — эвтектики у легированных сталей достигается при более низком содержании углерода, чем в углеродистых сталях. Так, сталь с 5 % хрома является заэвтектоидной при 0,6 % С, а при 1,5 % углерода уже содержит в структуре ледебурит, т. е. является чугуном, в то время как заэвтектоидные углеродистые стали содержат более 0,8 % углерода — точка S диаграммы состояния (см. рис. 4.2). В соответствии с диаграммой состояния системы Fe — Fe3C ледебурит появляется в структуре, если углерода более 2,14% — точка Е. Таким образом, наряду с делением на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные, что характерно для углеродистых сталей (см. подразд. 4.2 и рис. 4.2), у легированных сталей появляется еще одна группа — ледебуритные стали со структурой, аналогичной доэвтектическим чугунам.

Рис. 6.3. Влияние легирующих элементов на положение точек S и Е диаграммы состояния системы Fe — Fe3C

Основные преимущества легированных сталей перед углеродистыми проявляются при термической обработке. Прежде всего это связано с изменением вида диаграммы изотермического превращения аустенита. Марганец и никель повышают устойчивость переохлажденного аустенита, при этом на С-образной диаграмме линия начала распада аустенита смещается вправо (рис. 6.4, а). Карбидообразующие элементы не только смещают эту линию вправо, но и меняют вид диаграммы принципиально: диаграмма раздваивается, на ней появляется два минимума устойчивости переохлажденного аустенита (рис. 6.4, б). При этом важен именно сдвиг во времени начала распада переохлажденного аустенита, который начинается позже и приводит к снижению критической скорости охлаждения, т.е. увеличению прокаливаемости.

Проиллюстрируем это с помощью рис. 6.5. Скорость охлаждения сердцевины детали из углеродистой стали меньше критической (vсер vкр) и структуру мартенсита по всему сечению (рис, 6.5, б). Твердость сталей 40 и 40Х в сечении 10 и 40 мм приведена на рис. 6.6.

Рис. 6.4. Диаграммы изотермического превращения аустенита в углеродистой стали и сталях, легированных Ni, Si, Мn (а) и сильными карбидообразующими элементами (б)

Читайте так же:
Почему резак стреляет при резке

Рис. 6.5. Прокаливаемость углеродистой (а) и легированной (б) сталей: Ауст — устойчивый аустенит; Анеуст — неустойчивый (переохлажденный) аустенит; А — аустенит; М — мартенсит; П — перлит; С — сорбит; Т — троостит; vкр — критическая скорость охлаждения; — скорость охлаждения сердцевины детали; vсер — скорость охлаждения поверхности детали; Мн — температура начала мартенситного превращения; Мк — температура конца мартенситного превращения

Таким образом, из легированных сталей следует изготавливать детали большого сечения, которые необходимо упрочнять по всему сечению. Кроме того, важным преимуществом легированных сталей является возможность более медленного охлаждения при закалке (в масле или расплавленных солях, а не в воде, как детали из углеродистых сталей). Это уменьшает закалочные напряжения и, следовательно, деформацию деталей, предупреждает образование трещин. Поэтому детали сложной формы, склонные к деформациям при закалке, также следует изготавливать из легированных сталей.

Влияние легирующих элементов на вид С-образной диаграммы проявляется также в том, что большинство легирующих элементов снижает температуру мартенситных точек М и Мк (рис. 6.7, а). Это приводит к появлению в структуре закаленных сталей остаточного аустенита (рис. 6.7, б). Особенно сильно увеличивается его количество в высокоуглеродистых сталях. В этих случаях в технологии термической обработки деталей для устранения остаточного аустенита необходимо предусмотреть обработку холодом. Исключением являются алюминий и кобальт — они повышают температуры Мн и Мк, а также кремний, не оказывающий влияния на эти температуры.

Рис. 6.6. Твердость по сечению сталей 40 и 40Х

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита при нагреве, т.е. задерживают выделение из него атомов углерода и уменьшают скорость коагуляции карбидов (рис. 6.8). Поэтому для получения одинаковой твердости и прочности детали из легированных сталей следует отпускать при более высокой температуре.

Рис. 6.7. Влияние легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения М„ (а) и количество остаточного аустенита (б) в стали с 1% С

Наряду с положительными свойствами легированные стали обладают рядом недостатков, которые практически не наблюдаются в углеродистых сталях.

Рис. 6.8. Влияние температуры отпуска на твердость стали: 1 — углеродистой; 2 — легированной

Отпускная хрупкость — резкое снижение ударной вязкости после отпуска. Различают два вида отпускной хрупкости (рис. 6.9). Необратимая отпускная хрупкость (I рода) проявляется у всех сталей при отпуске в интервале температур 250. 350 °С. Она не зависит от скорости охлаждения при отпуске и присуща и углеродистым, и легированным сталям. Обратимая отпускная хрупкость (II рода) наблюдается только у легированных (чаще всего хромистых) сталей при высоком отпуске, но лишь в том случае, когда охлаждение после отпуска медленное — на воздухе. Подавить отпускную хрупкость II рода можно быстрым охлаждением (например, не на воздухе, а в масле). Однако при этом возникает опасность коробления, тем более что отпуск легированных сталей выполняется при более высоких температурах, чем углеродистых. Кроме того, быстрое охлаждение невозможно для крупногабаритных деталей. Для предупреждения отпускной хрупкости II рода эффективно легирование молибденом и вольфрамом в небольших количествах (0,5 %). Стали, легированные таким образом (например, 40ХНМА), не склонны к отпускной хрупкости.

Рис. 6.9. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали: I — зона необратимой отпускной хрупкости; II — зона обратимой отпускной хрупкости

Флокенами называются мелкие внутренние трещины, появляющиеся в кованых или катаных сталях. Они наиболее часто встречаются в сталях, содержащих хром (хромистых, хромоникелевых, хромомарганцовистых и т. д.). Как всякие трещины, флокены сильно понижают механические свойства стали. Флокены тем более опасны, чем большую прочность должна иметь сталь (при отсутствии дефектов), так как из таких сталей изготавливают наиболее нагруженные детали.

Причиной образования флокенов является присутствие в стали повышенного количества водорода (выше 0,0008%). Флокены появляются при быстром охлаждении стали в интервале 250. 20 °С после окончания пластической деформации. В этом случае водород создает большие давления, которые и приводят к образованию трещин. Если сталь в указанном температурном интервале охлаждать медленно, то водород успевает выделиться из стали и флокены не возникают. Флокены редко образуются в литой стали, так как пористость, характерная для литой структуры, облегчает удаление водорода из стали.

Флокены устраняются ковкой или прокаткой на меньший размер. При этом происходит залечивание, «заварка» трещин. Флокены практически не встречаются в сечениях с толщиной (диаметром) меньше 25 мм.

Шиферный (слоистый) излом наблюдается после горячей деформации. При прокате усадочные раковины и пузыри вытягиваются в виде слоев загрязненного металла. При разрушении излом получается слоистым, с острыми зазубринами и выступами. Термической обработкой шиферный излом не исправляется. Исправить структуру можно только перековкой стали.

Карбидная ликвация (неоднородность) наблюдается в средне- и высокоуглеродистых легированных сталях в виде строчек и местных скоплений карбидов. Этот порок очень опасен, особенно в инструментальной стали, так как скопления карбидов вызывают понижение стойкости инструмента вследствие резкого изменения механических свойств по сечению. Чем больше карбидная неоднородность, тем ниже эксплуатационные свойства стали.

Устранить карбидную ликвацию термической обработкой невозможно. Карбидная неоднородность тем меньше, чем больше степень пластической деформации при обработке (ковке, прокате) стали.

Нарушения режимов термической обработки легированных сталей вызывают дефекты, рассмотренные ранее, которые характерны и для углеродистых сталей (обезуглероживание, перегрев, пережог, закалочные трещины и т.д.).

Легирование стали

Легирование стали необходимо для изготовления инструментов и полупроводников. В первом случае особое внимание обращают на механические свойства, а во втором — на токопроводящие характеристики. Это требует не только разных добавок (например, легирование стали алюминием), но и разных технологических процессов. Легированная сталь представляет собой железоуглеродистый сплав с дополнительными элементами (никель, хром, молибден, кобальт и алюминий) для придания этой стали особых характеристик, таких как: устойчивость к коррозии, гибкость и твердость, что делает ее лучше обычной углеродной стали.

Читайте так же:
Самодельные намоточные станки своими руками

Влияние легирующих элементов на структуру стали

Сплавы, как правило, обозначаются в соответствии с преобладающими элементами, такими как никелевая сталь, хромистая сталь и хромованадиевая сталь. Сплавы можно встретить практически во всех отраслях промышленности, от гражданского строительства до судостроения, в нефтяной, автомобильной и авиационной отраслях.

Разнообразие возможных сплавов практически бесконечно, как и разнообразие характеристик.

Процесс легирования

Легированная сталь может быть произведена несколькими способами. Легирование бывает поверхностным и объемным. В первом случае легирующие добавки вводятся только в верхний слой. Легирующий элемент проникает неглубоко, примерно на 1-2 мм. Это необходимо для создания на поверхности металла определенных свойств (например, антифрикционных). Поверхностное легирование намного лучше напыления, а поэтому часто применяется при изготовлении керамики и стекла. Введение добавок во весь объем металла предусматривается объемным легированием.

Легирующих добавок может быть несколько. Они могут быть как металлическими, так и не металлическими (например, фосфор). Для получения различных характеристик легирование может производиться на различных этапах плавки.

Добавление легирующих элементов направлено на создание микроструктурных изменений, которые, в свою очередь, способствуют изменению физико-механических свойств материала, позволяя ему выполнять определенные функции.

Легирование полупроводников проводится с помощью термодиффузии, нейтронно-трансмутационного легирования и ионной имплантацией. Ионное легирование проводится в два этапа. Сначала проводится загонка легирующих атомов, а затем их активируют. Распределение элементов зависит от температуры и времени, глубина вхождения — от энергии. При термодиффузии происходит осаждение легирующих элементов, отжиг и удаление легирующих элементов. Нейтронно-трансмутационное легирование происходит благодаря ядерным реакциям — в данном случае легирующие и легируемые элементы объединяются монокристаллический материал.

Свойства и назначение

Наиболее часто используемыми легирующими элементами являются никель, марганец, хром, кремний, свинец, селен и бор. Менее часто используются алюминий, медь, ниобий, цирконий и вольфрам.Назначение этих элементов очень разнообразно, и при использовании в нужных пропорциях стали получают с определенными характеристиками, которые, однако, не могут быть достигнуты с обычными углеродистыми сталями.Сплавы обычно классифицируются с учетом элементов, содержание которых наиболее велико, и которые называются базовыми компонентами. Элементы, которые находятся в меньшей пропорции, рассматриваются как вторичные компоненты.

Влияние легирующего элемента на твердость сплава

Железо само по себе не особо прочное, но его прочность значительно возрастает, когда он легируется углеродом, а затем быстро охлаждается для производства стали. Некоторые характеристики стали — мягкая, полумягкая, полутвердая, твердая — в значительной степени обусловлены содержанием углерода, которое может составлять от 0,10 до 1,15%.

Риски

Некоторые ферросплавы производятся и используются в форме мелких частиц; переносимая по воздуху пыль представляет собой потенциальную опасность токсичности, пожара и взрыва. Кроме того, профессиональное воздействие паров при изготовлении некоторых сплавов может привести к серьезным проблемам со здоровьем. Ряд сплавов олова опасен для здоровья (особенно при высоких температурах) из-за вредных свойств металлов, с которыми можно легировать олово (например, свинец).

Практическое применение легирующих добавок

Никель, осмий, рутений, медь, золото, серебро и иридий легируются платиной для повышения твердости. Сплавы, образованные с кобальтом, приобрели значение благодаря своим ферромагнитным свойствам. Родий используется в качестве антикоррозийного электролитического покрытия для защиты серебра от потускнения. Родий легируется платиной и палладием, чтобы получить очень твердые сплавы.Цель легирования медью — повысить коррозионную стойкость.Также медью легируют серебро. В чистом виде серебро слишком мягкое для изготовления монет, столовых приборов и украшений, для всех областей применения оно упрочняется путем легирования медью.

Влияние легирующих элементов на фазовые превращения стали

Черные сплавы

Черные сплавы — это железо и его сплавы. Значительное содержание углерода делает чугун очень хрупким. Несмотря на свою хрупкость и более низкие механические свойства, чем у стали, их низкая себестоимость, простота литья и специфические характеристики делают их одним из самых ценных в мире продуктов с самым большим тоннажем производства.

Цветные сплавы

Цветные сплавы — это сплавы, которые не содержат железа или содержат относительно небольшое количество железа. Их характеристики — значительная коррозионная стойкость, высокая электро- и теплопроводность, низкая плотность и простота производства.

Нержавеющая сталь

Общие характеристики нержавейки делают ее универсальным материалом, который хорошо адаптируется к требованиям сегодняшнего дня. Любые виды сплавов имеют свои преимущества в зависимости от химического состава.

Эстетика. Существует ряд видов отделки поверхности: от матовой до глянцевой, от сатиновой до гравировки. Отделка также может быть узорчатой или окрашенной, что делает нержавеющую сталь уникальным и эстетичным материалом. Архитекторы часто выбирают этот материал для строительных работ, дизайна интерьера и городской мебели.

Механические свойства.Нержавейка обладает лучшими механическими свойствами при комнатной температуре по сравнению с другими материалами, что является преимуществом в строительном секторе, так как позволяет снизить вес на м² или уменьшить размеры элементов конструкции. Хорошая эластичность и твердость в сочетании с неплохой износостойкостью (трение, истирание, удары, эластичность…) позволяют использовать нержавейку в широком спектре проектов. Кроме того, нержавейка может устанавливаться на стройплощадке, несмотря на зимние температуры, без риска хрупкости или поломки, что не препятствует удлинению сроков строительства.

Огнеупорность. По сравнению с другими металлами, нержавейка обладает лучшей огнеупорностью в конструкции благодаря высокой температуре плавления (выше 800 °C). Нержавейка не выделяет токсичных паров. Коррозионная стойкость: при содержании хрома 10,5% нержавеющая сталь постоянно защищена пассивным слоем оксида хрома, который естественным образом образуется на ее поверхности при контакте с влажностью воздуха. При повреждении поверхности пассивный слой восстанавливается. Это обеспечивает коррозионную стойкость.

Классификация легированных сталей

Сплавы разделяются на три категории: низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. На степень легирования стали влияет средний уровень количества других включенных элементов. Граница, разделяющая категории, не очень ясна.

Классификация и маркировка легированных сталей

Классификация по содержанию легирующих элементов:

  • низколегированная (до 2,5%);
  • среднелегированная (до 10%);
  • высоколегированная (от 10% до 50%).

По практическому применению:

  • конструкционные (машиностроительные или строительные);
  • инструментальные;
  • специального назначения.

Маркировка легированных сталей

Требования оговаривает ГОСТ 4543-71. Легирующие добавки обозначаются так:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector